KR20140143081A - 공기분리장치 - Google Patents

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KR20140143081A
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타모츠 하시모토
마사아키 타니구치
히토시 아사오카
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신코 에어 워터 크라이오플랜트 리미티드
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Abstract

공기 압축기의 소비동력을 종래로부터도 저감해서 가동 코스트를 작게 할 수 있는 공기분리장치를 제공한다. 본 발명에 따른 공기분리장치(1)는 원료공기를 압축하는 공기 압축기(2)와, 원료공기의 불순물을 제거하는 흡착기(3)와, 상기 원료공기를 사용해서 열교환을 실시하는 주 열교환기(4)와 상기 원료공기를 산소 및 질소로 분리하는 고압 정류탑(5) 및 저압 정류탑(6)을 가지는 공기분리장치로써, 저압 정류탑(6)로부터 액체산소가 도입되며, 또한 공기 응축기(10a)가 설치된 공기 응축기 용기(10)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 공기 응축기(10a)는 공기 또는 승압 공기와 상기 액체산소 사이에서 열교환을 실시하는 것에 의해 가스산소를 생성한다. 또, 공기분리장치(1)는 공기 응축기 용기(10) 내의 상기 액체산소와 상기 가스산소를 주 열교환기(4)에 각각 공급하는 공급라인(L6) 및 공급라인(L5)을 구비한다.

Description

공기분리장치{AIR SEPARATOR}
본 발명은 원료공기로부터 산소나 질소를 정류 분리하는 공기분리장치에 관한 것이다.
발전설비나 제철소 등과 같이 대량의 산소가 소비되는 공장 내에는 산소자급을 위한 산소 제조설비를 병설하는 경우가 많다. 종래, 상기 산소 제조설비로서 가장 범용되고 있는 것은, 공기를 원료로 해서 산소를 얻을 수 있고, 게다가 부산물로서 질소를 얻을 수 있는 공기분리장치이다.
제철업 등의 이외에 화학공업이나 반도체 산업 등에서도 공기분리장치가 사용되고 있으며, 분리된 산소는 산화나 산소부화 연소의 용도로 사용되고 있다. 통상, 산소는 공기분리장치에서 분리된 순도의 상태로 사용되고 있는 케이스가 많고, 산소부화 연소에서는 공기와 혼합시켜서 로로 도입되고 있는 케이스가 많다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 정류탑에서 분리된 고순도 산소 중, 일부(16.4×P-0.8% 이하, P는 산소압(MPaG))을 액체산소로 분리해서, 펌프로 승압한 후 승압 압축기를 사용하지 않고 주 열교환기에서 증발시키는 것에 의해 가스산소를 분리하는 방법이 기재되어 있다.
또 특허문헌 2에는 다단식 주 응축기에서 최저부에 배치된 주 응축기의 높이를 1200mm 이하로 함으로써, 비점상승을 저감시켜서 소비동력을 저감하는 것이 기재되어 있다. 이 효과는 산소가 저순도가 될 수록 크다는 것이 기재되어 있다. 또 동문헌의 청구항 제 3 항에는 최저부에 배치된 응축기에는 공기의 도입으로부터 시작해서 액체산소를 증발시키는 것이 기재되어 있다.
또, 도 6 및 도 7에 나타나 있는 바와 같은 공기분리장치도 있다. 도 6의 공기분리장치는 공기 압축기(2), 흡착기(3), 주 열교환기(4), 고압 정류탑(5), 저압 정류탑(6), 주 응축기(6a), 및 산소 압축기(7)를 주로 구비한다. 도 6의 공기분리장치에서는 저압 정류탑(6)에서 생성된 가스산소가 주 열교환기(4)와 산소 압축기(7)를 통해서, 그 상태로 외부로 공급되는 것과 공기가 혼합되어 외부로 공급되는 것으로 나누어진다.
또, 도 7의 공기분리장치는 공기 압축기(2), 흡착기(3), 주 열교환기(4), 고압 정류탑(5), 저압 정류탑(6), 주 응축기(6a), 승압 압축기(8), 및 액산펌프(9)를 주로 구비한다. 도 7의 공기분리장치에서는 저압 정류탑(6)에서 생성된 액체산소가 액산펌프(9)에서 승압되어 주 열교환기(4)를 거친 후, 그 상태로 외부로 공급되는 것과 공기가 혼합되어 외부로 공급되는 것으로 나누어진다.
일본특허 제4908740호 일본특허 제4790979호
원료공기 압축기의 가동 코스트의 비율은 공기분리장치 전체의 가동 코스트의 대부분을 차지하기 때문에, 그 원료공기 압축기의 소비동력을 저감해서 가동 코스트를 더욱 저감시키는 것이 강하게 소망되고 있다. 상기 특허문헌 1의 도 1 및 도 2의 공기분리장치에서는 상탑(저압 정류탑)에서 액체산소와 가스산소를 분리하고, 그 액체산소를 승압 후, 주 열교환기에서의 열교환에 의해 가스산소를 생성하고 있다. 그리고 생성된 이 가스산소와 상기 가스산소를 합류시켜서, 또는 합류시키지 않고 수요처로 공급하도록 구성되어 있다. 이렇게 동 문헌의 공기분리장치에서는 상탑 내의 가스산소만을 분리하는 것이 아니고, 액체산소도 분리해서 이용함으로써, 산소 압축기의 유량의 저감을 도모해서 소비동력을 작게 하고 있다. 그렇지만, 원료공기 압축기에 대해서는 그 소비동력의 저감을 더욱 진행시킬 여지는 남아 있다.
또, 저압증류탑으로부터의 액체산소를 탑외에 설치한 응축기 용기 내에서 증발시켜서 가스산소를 얻는 구성의 공기분리장치(특허문헌 2의 도 4), 및 도 6 및 도 7의 공기분리장치에 있어서도, 원료공기 압축기의 소비동력을 보다 저감할 수 있는 여지가 있다.
본 발명은 이러한 종래의 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 공기 압축기의 소비동력을 종래보다도 저감시켜서 가동 코스트를 작게 할 수 있는 공기분리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 공기분리장치는 원료공기를 압축하는 공기 압축기와, 상기 원료공기를 사용해서 열교환을 실시하는 주 열교환기와, 상기 원료공기를 산소 및 질소로 분리하는 고압 정류탑 및 저압 정류탑를 가지는 공기분리장치로써,
상기 저압 정류탑으로부터 액체산소가 도입되며, 또한 열교환부가 설치된 용기를 구비하고,
상기 열교환부는 상기 액체산소를 사용해서 열교환을 실시하는 것에 의해 가스산소를 생성하고,
상기 용기 내의 상기 액체산소와 상기 가스산소를 상기 주 열교환기에 각각 공급하는 액체산소 공급라인 및 가스산소 공급라인을 추가로 구비한 것을 요지로 한다.
상기 공기분리장치에 있어서, 액체산소 공급라인 및 가스산소 공급라인에 의해 주 열교환기에 각각 공급된 액체산소 및 가스산소는 그 주 열교환기에서 열교환되는 것에 의해서, 고순도 산소 및 저순도 산소로서 외부로 공급된다. 또 본 발명에 있어서, 상기 용기 내의 액체산소를 용기 내의 가스산소를 기준으로 해서 상대적으로 고순도 산소라고 언급하고, 그 용기 내의 가스산소를 용기 내의 액체산소를 기준으로 해서 상대적으로 저순도 산소라고 언급하는 경우가 있다.
상기 용기 내에서 분리되는 상기 액체산소 및 상기 가스산소의 양 비율에 있어서, 상기 액체산소의 비율을 10% 이상 80% 이하로 하고, 상기 가스산소의 비율을 20% 이상 90% 이하로 할 수 있다.
상기 공기 응축기 용기 내에서 상기 공기 응축기의 상방에 정류패킹 또는 정류접시를 설치하는 것이 바람직하다.
상기 용기 내에 공기 또는 승압 공기를 공급하는 공기 공급라인을 구비한 형태로 할 수 있다. 또, 상기 저압 정류탑으로부터 상기 용기에 액체산소를 공급하는 공급라인과, 그 공급라인에 설치되고, 상기 저압 정류탑으로부터 상기 용기에 상기 액체산소를 이송하는 액산 이송펌프를 구비한 형태로 할 수 있다.
상기 용기 내에서 증발한 산소의 일부를 상기 저압 정류탑으로 되돌리는 리턴라인과, 그 리턴라인의 도중에 설치된 밸브를 구비한 형태로 할 수 있다.
본 발명에 따른 공기분리장치에 의하면, 2종 이상의 순도의 산소를 분리할 수 있고, 그 가운데의 1종을 저순도 산소(가스산소)로 분리하는 것에 의해서， 저압 정류탑 내의 주 응축기에 필요한 산소의 순도를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 공기 압축기의 토출압의 저감을 도모할 수 있고, 그 압축기의 소비동력을 저감시킬 수 있다. 따라서 공기분리장치의 가동 코스트를 종래보다도 작게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 공기분리장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 공기분리장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 공기분리장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 공기분리장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 공기분리장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 6은 종래의 공기분리장치의 예를 나타내는 블럭도이다.
도 7은 종래의 공기분리장치의 다른 예를 나타내는 블럭도이다.
본 발명에 따른 공기분리장치는 원료공기를 압축하는 공기 압축기와, 상기 원료공기를 사용해서 열교환을 실시하는 주 열교환기와, 상기 원료공기를 산소 및 질소로 분리하는 고압 정류탑 및 저압 정류탑을 가지는 공기분리장치로써, 상기 저압 정류탑으로부터 액체산소가 도입되며, 또한 열교환부가 설치된 용기를 구비한다. 상기 열교환부는 상기 액체산소를 사용해서 열교환을 실시하는 것에 의해 가스산소를 생성한다. 또, 공기분리장치는 상기 용기 내의 상기 액체산소와 상기 가스산소를 상기 주 열교환기에 각각 공급하는 액체산소 공급라인 및 가스산소 공급라인을 추가로 구비한다.
이러한 공기분리장치에 의하면, 보냉상자로부터 2종 이상의 순도의 산소를 분리할 수 있고, 그 가운데의 1종을 저순도 산소(가스산소)로 분리하는 것에 의해서, 저압 정류탑 내의 주 응축기에 필요한 산소의 순도를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 공기 압축기의 토출압의 저감을 도모할 수 있고, 그 압축기의 소비동력을 저감시킬 수 있다. 따라서 공기분리장치의 가동 코스트를 종래보다도 작게 할 수 있다.
이하, 도면에 나타낸 실시형태에 의거해서 본 발명을 상세하게 설명한다.
1. 제1 실시형태
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 공기분리장치(1)의 전체구성을 나타내는 블럭도이다.
도 1에 있어서 본 실시형태에 따른 공기분리장치(1)는 공기 압축기(2), 흡착기(3), 주 열교환기(4), 고압 정류탑(5), 저압 정류탑(6), 저압 정류탑(6) 내에 설치된 주 응축기(6a), 승압 압축기(8), 액산펌프(9), 공기 응축기 용기(10), 및 공기 응축기 용기(10) 내에 설치된 공기 응축기(10a)를 주로 구비하고 있다. 또, 주 열교환기(4), 고압 정류탑(5), 저압 정류탑(6), 주 응축기(6a), 액산펌프(9), 공기 응축기 용기(용기)(10), 및 공기 응축기(열교환부)(10a)는 보냉상자(7) 내에 배치되어 있다.
원료공기는 공기 압축기(2)에 의해 고압정류에 필요한 압력(약 0.3∼0.5MPa)으로 승압 압축되는 흡착기(3)에 의해 이산화탄소, 수분, 탄화수소 등의 불순물이 제거된다. 원료공기가 흡착기(3)를 거친 후, 그 일부는 보냉상자(7) 내의 주 열교환기(4)로 공급되고, 그 나머지는 승압 압축기(8)로 이송되어 승압된 후에 주 열교환기(4)로 공급된다.
흡착기(3)를 거쳐서 주 열교환기(4)로 공급된 원료공기는 이 주 열교환기(4)에서 냉각된 후, 공급라인(L1)에 의해 고압 정류탑(5) 내의 저부로 도입된다. 또, 흡착기(3) 및 승압 압축기(8)를 거쳐서 주 열교환기(4)로 공급된 원료공기는 이 주 열교환기(4)에서 냉각된 후, 공급라인(L2)에 의해 고압 정류탑(5) 내의 저부로 도입된다. 고압 정류탑(5) 내로 도입된 원료공기는 이 고압 정류탑(5) 내를 상승 중에 하강액과 향류접촉을 실시하고, 증류에 의해 저비점 성분이 증가함으로써 액체질소와 산소 풍부한 액체공기로 정류 분리된다.
고압 정류탑(5) 내에서 정류 분리된 액체질소 및 산소 풍부한 액체공기는 각각 공급라인(L8) 및 공급라인(L9)에 의해 저압 정류탑(6) 내로 도입된다. 저압 정류탑(6) 내로 도입된 액체질소와 산소 풍부한 액체공기는 상승 가스와 향류접촉을 일으키고, 증류에 의해 저압 정류탑(6) 내에서 고순도의 가스질소와 액체산소로 분리된다. 또, 고압 정류탑(5) 내의 가스질소는 미도시된 공급라인에 의해 저압 정류탑(6)의 주 응축기(6a)에도 도입된다. 주 응축기(6a)는 도입된 가스질소와 저압 정류탑(6) 내의 저부에 고인 액체산소 사이에서 열교환을 실시해서, 그 액체산소를 기화시키면서 그 가스질소를 응축하는 것에 의해 액화시킨다. 이 열교환에 필요한 가스질소와 액체산소의 온도차이를 확보하기 위해서, 고압 정류탑(5) 및 저압 정류탑(6)의 각 운전압력이 설정된다. 저압 정류탑(6) 내에서 기화된 상기 가스산소는 저압 정류탑(6) 내에서 상승 가스가 되어 정류 분리에 이용된다. 분리된 고순도의 가스질소는 제품질소로서 저압 정류탑(6)의 탑부에서 도출되고, 공급라인(L10)에 의해 외부로 공급된다. 또, 저압 정류탑(6) 내의 잔부 가스의 일부는 필요에 따라서 공급라인(L11)에 의해 흡착기(3)로 이송되고, 흡착재의 재생가스로서 이용된다.
저압 정류탑(6) 내에서 정류 분리된 액체산소는 공급라인(L3)에 의해 공기 응축기 용기(10) 내로 공급된다.
여기에서, 공급라인(L1)로부터 분기된 공급라인(공기 공급라인)(L4)이 공기 응축기 용기(10)에 접속되어 있다. 이 공급라인(L4)에 의해, 주 열교환기(4)를 거친 원료공기가 공기 응축기 용기(10) 내로 이송되게 되어 있다.
다음에, 공기 응축기 용기(10) 내에 설치된 공기 응축기(10a)는 상기한 공급라인(L3)에 의해 이송된 액체산소와 공급라인(L4)에 의해 이송된 공기 사이에서 열교환을 실시한다. 그 열교환에 의해 기화한 가스산소(저순도 산소)는 공급라인(가스산소 공급라인)(L5)에 의해 주 열교환기(4)로 이송되어 상온으로 되돌려진 후, 필요에 따라서 공기가 혼합되어 산소부화 연소용 산소로서 외부(산소부화로)로 공급된다. 또, 산소부화 연소용으로서 필요한 산소 순도는 매우 낮고, 통상 약 30% 정도의 순도로 충분하다.
한편, 공기 응축기 용기(10)의 저부에는 공급라인(액체산소 공급라인)(L6)이 접속되어 있고, 그 공급라인(L6)의 도중에 액산펌프(9)가 설치되어 있다. 이러한 구성에 있어서 공기 응축기 용기(10) 내의 액체산소는 공급라인(L6)에 의해 액산펌프(9)에 이송되어 필요압으로 승압된 후, 주 열교환기(4)에서 증발 및 승온되는 것에 의해 가스산소(고순도 산소)가 되고, 산화용 산소로서 외부(산화로)로 공급된다.
또, 액산펌프(9)에 의해 액체산소가 승압되면, 그 액체산소의 비점이 올라간다. 그 때문에 주 열교환기(4)에서 열교환을 성립시켜서 액체산소를 증발시키기 위해서는, 승압 압축기(8)로 압력을 가함으로써 비점을 올린 원료공기를 상기의 바와 같이 주 열교환기(4)로 도입할 필요가 있다.
상기한 바와 같이 본 실시형태에 따른 공기분리장치(1)에 의하면, 산소부화 연소용의 저순도 산소와 산화용의 고순도 산소가 필요하게 되는 경우, 즉, 필요로 하는 고순도 산소가 전체의 산소의 일부인 경우에, 그 필요로 하는 고순도 산소의 순도를 확보하면서도 저압 정류탑(6) 내의 액체산소의 순도를 내릴 수 있다. 이하, 표 1을 사용해서 상세하게 설명한다. 표 1은 도 1의 공기분리장치(1)에 있어서 공기 응축기 용기(10)로부터 분리하는 전체 산소량(순산소)에 차지하는 액체산소(순산소)의 분리되는 비율을 20%로 고정하고, 가스산소의 순도를 바꾸었을 경우의 공기 응축기 용기(10) 내의 액체산소의 순도, 주 응축기(6a)의 액체산소의 순도, 공기 압축기(2)의 토출압력, 공기 압축기 원단위, 및 공기 압축기 원단위율을 특정했다. 상기 가스산소의 순도에 대해서는 99.6%, 95.0%, 90.0%, 80.0%, 70.0%로 바꾸었다. 또, 표 1에 있어서 공기 압축기 원단위율이란 가스산소의 순도가 99.6%일 때의 공기 압축기의 동력원단위를 100%(기준값)으로 했을 경우에, 각 가스산소 순도에 대응하는 공기 압축기의 동력원단위를 비율로 나타낸 것이다. 또, 상기 비율 20%는 공기 응축기(10a)로부터 분리하는 가스산소 및 액체산소의 합계 중의 순산소 유량을 분모로 하고, 액체 산소량 중의 순산 소유량을 분자로 해서 산정한 것이다.
Figure pat00001
표 1에 있어서, 공기 응축기 용기(10)로부터 분리하는 고순도 산소(액체산소)의 순도가 92.5%로, 그 양이 전체 산소량의 20%이고, 나머지 양의 80%의 산소를 산소부화용의 저순도 산소(순도 80%)로 해서 분리하는 경우, 고순도 산소의 92.5%라는 순도를 얻기 위해서 필요한 주 응축기(6a) 내의 액체산소의 순도는 82.2%인 것임을 알 수 있다.
저압 정류탑(6) 내의 액체산소가 공기 응축기 용기(10)로 도입되면, 그 용기 내에서 액체산소는 원료공기와의 열교환에 의해 가열되어 기화된다. 이 경우, 상대적으로 비점이 낮은 질소가 기화되기 쉬워지므로, 당해 기화에 의해 액체 중의 질소가 감소하고, 공기 응축기 용기(10) 내의 액체산소의 순도는 예를 들면 92.5%로 올라간다. 또, 공기 응축기 용기(10)로부터 분리하는 가스산소의 순도는 상기 기화된 질소가 많게 포함되므로 80%가 된다.
이렇게, 주 응축기(6a)로부터 분리하는 액체산소의 필요순도를 약 10% 저감할 수 있으므로 그 10%분의 산소의 비점을 내리는 것이 가능하게 된다. 따라서 저압 정류탑(6) 내에서 액체산소와 가스질소 사이에서 이루어지는 열교환의 온도차이를 크게 할 수 있고, 고압 정류탑(5) 내의 필요압력을 내릴 수 있다. 이에 따라 공기 압축기(2)의 토출압력을 저감시킬 수 있고, 그 압축기의 소비동력의 저감이 가능하게 된다. 따라서, 공기분리장치(1)의 가동 코스트를 종래보다도 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 공기분리장치(1)에 있어서 보냉상자(7)의 외측에서 고순도 산소와 저순도 산소를 혼합하는 것도 가능하다. 이 경우에 있어서도, 상기한 바와 같이 저압 정류탑(6) 내의 주 응축기(6a)의 액체산소의 순도를 저하시킬 수 있으므로, 저압 정류탑으로부터의 액체산소(고순도 산소)을 증발시켜서 생성한 가스산소의 일부를 공기로 희석하는 종래 기술보다도 에너지 절약효과가 수득된다.
2. 제2 실시형태
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 공기분리장치(1a)의 전체구성을 나타내는 블럭도이다. 도 2의 공기분리장치(1a)의 구성이 도 1의 공기분리장치(1)와 다른 것은, 공급라인(L4) 대신에, 공급라인(공기공급라인)(L7)이 설치되어 있다는 점이이고, 기타의 구성은 동일하다. 이하, 상세하게 설명한다.
본 실시형태에 따른 공기분리장치(1a)에 있어서, 공급라인(L7)은 승압 압축기(8)로부터 주 열교환기(4)를 통해서 공기 응축기 용기(10) 까지를 연결하고 있다. 이 구성에 있어서, 승압 압축기(8)에서 승압된 원료공기의 일부는 공급라인(L7)에 의해 주 열교환기(4)에 이송된 후, 공기 응축기 용기(10) 내로 도입된다.
공기 응축기 용기(10) 내에 있어서 공기 응축기(10a)는 공급라인(L3)에 의해 이송된 액체산소와 공급라인(L7)에 의해 이송된 승압 공기 사이에서 열교환을 실시한다. 그 열교환에 의해 기화된 가스산소(저순도 산소)는 공급라인(L5)에 의해 주 열교환기(4)로 이송되어 상온으로 되돌려진 후, 필요에 따라서 공기가 혼합되어 산소부화 연소용 산소로서 외부(산소부화로)로 공급된다. 공기 압축기(2)의 토출압이 공기 응축기(10a)에서 필요한 압력을 하회했을 경우에, 공기응축에 필요한 원료공기는 승압 압축기(8)에 의해 승압되어 공기 응축기 용기(10) 내로 도입된다. 또, 승압 압축기(8) 대신에, 팽창터빈으로 구동되는 승압기를 사용할 수도 있고, 상기 공기응축에 필요한 승압 공기로서 공기 압축기(2)에 의해 압축된 원료공기의 일부를 사용할 수도 있다.
한편, 공기 응축기 용기(10) 내의 액체산소는 공급라인(L6)에 의해 액산펌프(9)로 이송되어 승압된 후, 주 열교환기(4)에서 증발 및 승온되는 것에 의해 가스산소(고순도 산소)가 되고, 산화용 산소로서 외부(산화로)로 공급된다.
본 실시형태에 따른 공기분리장치(1a)에 의하면, 제1 실시형태의 공기분리장치(1)와 같이, 주 응축기(6a)에서 분리되는 액체산소의 순도를 저감시킬 수 있다. 따라서 공기 압축기(2)의 토출압력을 저감시킬 수 있고, 그 압축기의 소비동력의 저감이 가능하게 된다.
3. 제3 실시형태
도 3은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 공기분리장치(1b)의 전체구성을 나타내는 블럭도이다. 도 3의 공기분리장치(1b)의 구성이 도 1의 공기분리장치(1)와 다른 것은, 공기 응축기 용기(10) 내에 있어서 공기 응축기(10a)의 상방에 정류 패킹(11)이 설치되어 있다 점이고, 기타의 구성은 동일하다.
본 실시형태에 따른 공기분리장치(1b)에 있어서, 공기 응축기(10a)의 상방에 정류 패킹(11)을 형성하면, 공기 응축기에 정류기능을 부가할 수 있다. 즉, 공기 응축기 용기(10)에 있어서 액체산소의 순도를 더욱 올릴 수 있기 때문에, 주 응축기(6a)에서 분리되는 액체산소의 순도를 추가로 저감시킬 수 있다. 따라서 공기 압축기(2)의 토출압력을 저감할 수 있고, 그 압축기의 소비동력의 새로운 저감이 가능하게 된다.
또, 정류 패킹(11)을 사용하는 것으로 했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 정류 패킹(11) 대신에 정류접시를 채용할 수 있고, 또한 이것들을 조합시켜서 사용하는 것도 가능하다. 또, 공기 응축기 용기(10)로부터의 고순도 산소(액체산소)의 분리 대신에, 정류 패킹(11) 또는 정류접시 저부로부터 고순도의 가스산소로 분리할 수도 있다.
4. 제4 실시형태
도 4는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 공기분리장치(1c)의 전체구성을 나타내는 블럭도이다. 도 4의 공기분리장치(1c)의 구성이 도 2의 공기분리장치(1a)와 다른 것은, 공기 응축기 용기(10) 내에 있어서 공기 응축기(10a)의 상방에 정류 패킹(11)이 설치되어 있다 점이고, 기타의 구성은 동일하다.
본 실시형태에 따른 공기분리장치(1c)에 의하면, 제3 실시형태의 공기분리장치(1b)와 같이, 공기 응축기(10a)에 정류기능을 부가할 수 있다. 그것에 의해, 공기 응축기 용기(10)에 있어서 액체산소의 순도를 더욱 올릴 수 있기 때문에, 주 응축기(6a)에서 분리되는 액체산소의 순도를 추가로 저감시킬 수 있다. 따라서 공기 압축기(2)의 토출압력을 저감시킬 수 있고, 그 압축기의 소비동력의 새로운 저감이 가능하게 된다.
5. 제5 실시형태
도 5는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 공기분리장치(1d)의 전체구성을 나타내는 블럭도이다. 도 5의 공기분리장치(1d)의 구성이 도 4의 공기분리장치(1c)돠 다른 것은, 공급라인(L3)에 액산 이송펌프(12)가 설치되어 있다는 점, 및 리턴라인(L12)과 그 리턴라인(L12)의 도중에 밸브(va)가 설치되어 있다는 점이고, 기타의 구성은 동일하다.
액산 이송펌프(12)은 저압 정류탑(6)로부터 공기 응축기 용기(10)에 액체산소를 이송하는 것이다. 상기 제2 실시형태에서도 기술했지만, 승압 압축기(8) 등에 의해 승압된 공기를 공기 응축기 용기(10) 내로 도입하는 경우, 그 공기 응축기 용기(10)의 내압이 상승하기 때문에, 상기의 액산 이송펌프(12)에 의해 액체산소를 이송함으로써, 저압 정류탑(6)로부터의 액체산소를 공기 응축기 용기(10) 내로 도입하기 쉬워진다.
또, 리턴라인(L12)은 공급라인(L5)로부터 분기되어 저압 정류탑(6)에 접속되어 있는 공기 응축기 용기(10) 내에서 증발한 산소의 일부를, 밸브(va)로 그 유량을 조정하면서 저압 정류탑(6) 내고 되돌릴 수 있다. 공기 응축기 용기(10)로부터의 액체산소의 취득량이 가스산소의 취득량에 대해서 커지는 경우, 정류 패킹(11)에 있어서의 정류 분리효과를 높이기 위해서(향류접촉에 있어서 하강액인 액체산소와 상승하는 가스산소의 양을 적절하게 조정하기 위해서), 상기한 바와 같이 공기 응축기 용기(10) 내의 산소의 일부를 저압 정류탑(6)으로 되돌릴 수 있다.
본 발명은 물론 상기 실시형태에 의해 제한을 받는 것이 아니다. 또, 본 발명의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 부가해서 실시하는 것도 물론 가능하며, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
(실시예)
이하, 실시예를 참조해서 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니고, 상기, 후기하는 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 부가해서 실시하는 것도 물론 가능하며, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
1. 실시예 1
상술한 바와 같이, 공기분리장치(1)에 있어서 공기 응축기 용기(10)로부터 분리되는 전체 산소량(순산소)에 차지하는 액체산소(순산소)의 분리 비율을 20%로 고정하고, 가스산소의 순도를 바꾸었을 경우의 공기 응축기 용기(10) 내의 액체산소의 순도 등을 특정했다(표 1 참조).
표 1에 있어서, 가스산소의 필요순도를 낮게 함에 따라, 주 응축기의 액체산소에 필요한 순도도 저하되고, 그것에 따라 공기 압축기에 필요한 압력도 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 표 1의 일례를 픽업하면, 산화로로 공급하는 산화용 산소로서 원래 필요한 92.5%라는 순도의 산소를 공기 응축기(10a)에서 얻는 것에 의해, 저압 정류탑(6) 내의 액체산소로서는 92.5%라는 높은 순도가 요구되지 않고, 그것보다도 낮은 82.2%의 순도로 하는 것이 가능하게 되어, 공기 압축기의 토출압의 저감으로 이어졌다.
지금까지 95% 이상(예를 들면, 95.5%)의 순도를 저압 정류탑의 주 응축기에서 얻을 경우의 공기 압축기의 토출압은 445kPaG이고, 공기 압축기 원단위는 0.072 kWh/N㎥이었다. 그러나, 본 발명의 공기분리장치(1)에 의하면, 공기 응축기 용기(10) 내의 액체산소의 순도가 95.8%일 때, 주 응축기(6a)의 액체산소의 순도가 91.1%이고, 공기 압축기(2)의 토출압은 399kPaG이고, 공기 압축기 원단위는 0.068 kWh/N㎥이 되어, 약 5.6%의 공기 압축기 원단위의 저감이 가능하게 되는 것을 확인할 수 있었다. 또, 가스산소의 필요순도가 낮을 수록, 그 효과(공기 압축기 원단위의 저감효과)는 커진다.
2. 실시예 2
도 3의 공기분리장치(1b)에 있어서, 공기 응축기 용기(10)로부터 분리되는 전체 산소량(순산소)에 차지하는 액체산소(순산소)의 분리 비율을 20%로 고정하고, 가스산소의 순도를 99.6%, 95.0%, 90.0%, 80.0%, 70.0%에 바꾸었을 경우의 공기 응축기 용기(10) 내의 액체산소의 순도 등을 특정했다. 특정 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pat00002
표 2에 있어서도, 공기 응축기 용기(10) 내의 액체산소의 순도를 99.6%(일부 99.8%를 제외한다.)로 유지하면서 가스산소의 필요순도를 낮게 함에 따라, 주 응축기의 액체산소에 필요한 순도도 저하하고, 그것에 따라 공기 압축기에 필요한 압력도 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
3. 실시예 3
도 1의 공기분리장치(1)에 있어서, 가스산소 순도를 70%, 80%, 90%로 해서, 공기 응축기 용기(10)로부터의 액체산소의 추출량(분리비율)을 바꾸었을 경우의 공기 압축기의 토출압을 각각 산정했다. 산정결과를 표 3∼표 5에 나타낸다. 또, 표 3이 가스산소 순도 70%의 것이고, 표 4가 가스산소 순도 80%의 것이고, 표 5가 가스산소 순도 90%의 것이다. 또, 각 표에 있어서 액체산소 추출량은 전체 산소(순산소)에 대한 비율이고, 액체산소 추출량이 0% 및 100%인 것은 종래예(비교예)에 상당한다(이하, 동일).
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
표 3∼표 5에 있어서, 가스산소 순도에 관계하지 않고, 공기 압축기의 토출압을 가장 작게 할 수 있는 것은, 액체산소의 추출량이 10%일 때라는 것을 확인할 수 있었다. 또 그 중에서도, 가스산소 순도가 90%, 80%, 70%로 저하됨에 따라서, 공기 압축기의 토출압을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
4. 실시예 4
도 3의 공기분리장치(1b)에 있어서, 가스산소 순도를 70%, 80%, 90%로 해서, 공기 응축기 용기(10)로부터의 액체산소의 추출량(분리비율)을 바꾸었을 경우의 공기 압축기의 토출압을 각각 산정했다. 산정결과를 표 6∼표 8에 나타낸다. 또, 표 6이 가스산소 순도 70%의 것이고, 표 7이 가스산소 순도 80%의 것이고, 표 8이 가스산소 순도90%이 것이다.
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
표 6∼표 8에 있어서도, 가스산소 순도에 관계하지 않고, 공기 압축기의 토출압을 가장 작게 할 수 있는 것은, 액체산소의 추출량이 10%일 경우라는 것을 확인할 수 있었다. 또 그 중에서도, 가스산소 순도가 90%, 80%, 70%로 저하됨에 따라서, 공기 압축기의 토출압을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
1, 1a, 1b, 1c, 1d: 공기분리장치 2: 공기 압축기
3: 흡착기 4: 주 열교환기
5: 고압 정류탑 6: 저압 정류탑
6a: 주 응축기 7: 보냉상자
8: 승압 압축기 9: 액산펌프
10: 공기 응축기 용기 10a: 공기 응축기
11: 정류 패킹 12: 액산 이송펌프
va: 밸브 L1∼L11: 공급라인
L12: 리턴라인

Claims (6)

  1. 원료공기를 압축하는 공기 압축기와, 상기 원료공기를 사용해서 열교환을 실시하는 주 열교환기와, 상기 원료공기를 산소 및 질소로 분리하는 고압 정류탑 및 저압 정류탑을 가지는 공기분리장치로써,
    상기 저압 정류탑으로부터 액체산소가 도입되며, 또한 열교환부가 설치된 용기를 구비하고,
    상기 열교환부는 상기 액체산소를 사용해서 열교환을 실시하는 것에 의해 가스산소를 생성하고,
    상기 용기 내의 상기 액체산소와 상기 가스산소를 상기 주 열교환기에 각각 공급하는 액체산소 공급라인 및 가스산소 공급라인을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 공기분리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용기 내로부터 분리되는 상기 액체산소 및 상기 가스산소의 양비율에 있어서, 상기 액체산소의 비율을 10%이상 80% 이하로 하고, 상기 가스산소의 비율을 20%이상 90%이하로 하는 공기분리장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 용기 내에서 상기 열교환부의 상방에 정류 패킹 또는 정류접시가 설치된 공기분리장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 용기 내에 공기 또는 승압 공기를 공급하는 공기 공급라인을 구비한 공기분리장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저압 정류탑으로부터 상기 용기에 액체산소를 공급하는 공급라인과, 그 공급라인에 설치되고, 상기 저압 정류탑으로부터 상기 용기에 상기 액체산소를 이송하는 액산 이송펌프를 구비한 공기분리장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 용기 내에서 증발한 산소의 일부를 상기 저압 정류탑으로 되돌리는 리턴라인과, 그 리턴라인의 도중에 설치된 밸브를 구비한 공기분리장치.
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